Революционная технология раскрывает атомные секреты рекордно прочных сверхпроводников
Ученые впервые добились успеха в изучении супергидридов лантана — класса материалов, которые могут помочь добиться сверхпроводимости при гораздо более высоких температурах.
Мечта о передаче электроэнергии без потерь энергии десятилетиями вдохновляла исследователей на изучение сверхпроводимости. Одними из самых многообещающих кандидатов являются супероггидриды — материалы с высоким содержанием водорода, которые при огромном давлении демонстрируют сверхпроводимость при температурах, намного превышающих температуру обычных сверхпроводников.
Теперь международная группа ученых, в которую входят специалисты из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), совершила прорыв в изучении этих материалов, впервые применив спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для исследования супергидридов лантана под экстремальным давлением.
Сверхпроводники — это материалы, которые полностью теряют электрическое сопротивление при достижении критической температуры, характерной для каждого конкретного материала. Это позволяет электричеству проходить через них без потерь энергии. В большинстве известных сверхпроводников этот переход происходит при температуре ниже 140 кельвинов (минус 133 градуса по Цельсию), что означает, что для их практического применения требуются мощные системы охлаждения. Поэтому ученые ищут материалы, которые могут становиться сверхпроводниками при гораздо более высоких температурах.
Супериды — это соединения с высоким содержанием водорода, в которых металл, например лантан, находится внутри плотно упакованной водородной решетки. При огромном давлении, аналогичном тому, что существует внутри планет, эти материалы могут приобретать необычные электронные свойства и демонстрировать сверхпроводимость при температуре, близкой к комнатной. В настоящее время они являются рекордсменами по самой высокой критической температуре перехода, при которой наблюдались признаки сверхпроводимости.
Чтобы создать такие условия, исследователи сжимают образцы в алмазных наковальнях, помещая их между двумя алмазами под давлением более миллиона атмосфер. Сложность заключается в том, что образцы очень маленькие, поэтому для их изучения требуется исключительная точность эксперимента.
Магнитные суперлинзы в микромасштабе
В новой работе эта проблема решается с помощью так называемых линз Ленца — крошечных проводящих кольцевых структур, которые фокусируют высокочастотные поля, необходимые для спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), непосредственно в объеме образца. Благодаря концентрации и усилению этих полей линзы позволяют проводить измерения методом ЯМР в экстремальных условиях внутри ячейки с алмазными наковальнями.
«Нам нужно было сфокусировать высокочастотные поля точно в том месте, где образец находится между алмазными наковальнями, на площади всего в несколько десятков микрометров, что меньше диаметра человеческого волоса, — объясняет доктор Флориан Бертль из Дрезденской лаборатории сильного магнитного поля (High Magnetic Field Laboratory, HLD) при Дрезденском центре исследований и разработок. — С помощью линз Ленца мы смогли усилить высокочастотный сигнал до такой степени, что впервые стали доступны значимые данные ЯМР для супергидридов». Измерения дают непосредственную информацию о материалах на атомном уровне и помогают исследователям лучше их понять.
Максимальные магнитные поля в качестве дополнительной стресс-проверки
Ранее команда исследователей изучала те же материалы с помощью импульсных высокопольных магнитов в лаборатории сверхпроводимости, измеряя их электрическое сопротивление. Эти магнитные поля служат стресс-тестом для сверхпроводников, поскольку позволяют определить максимальную напряженность поля, при которой сверхпроводящее состояние остается стабильным.
Полную картину состояния этого класса материалов можно получить, только используя оба метода: ЯМР-исследования при высоком давлении и измерения сопротивления в самых сильных магнитных полях.
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве со специалистами по работе с высоким давлением из Центра перспективных исследований в области науки и технологий высокого давления (HPSTAR) в Пекине. «Сотрудничество с HLD имело решающее значение для нашего проекта, — говорит доктор Дмитрий Семенок. — Имеющееся там оборудование для работы с высокими полями и опыт в области высокочастотных приборов создают идеальные условия для проведения таких экспериментов».
В долгосрочной перспективе исследователи хотят лучше понять физические механизмы сверхпроводимости в материалах с высоким содержанием водорода. Эти знания могут помочь в разработке новых материалов для более энергоэффективных технологий.